Synaptic Learning for Neuromorphic Vision - Processing Address Events with Spiking Neural Networks

Das Gehirn übertrifft herkömmliche Computerarchitekturen in Bezug auf Energieeffizienz, Robustheit und Anpassungsfähigkeit. Diese Aspekte sind auch für neue Technologien wichtig. Es lohnt sich daher, zu untersuchen, welche biologischen Prozesse das Gehirn zu Berechnungen befähigen und wie sie in Silizium umgesetzt werden können. Um sich davon inspirieren zu lassen, wie das Gehirn Berechnungen durchführt, ist ein Paradigmenwechsel im Vergleich zu herkömmlichen Computerarchitekturen erforderlich. Tatsächlich besteht das Gehirn aus Nervenzellen, Neuronen genannt, die über Synapsen miteinander verbunden sind und selbstorganisierte Netzwerke bilden. Neuronen und Synapsen sind komplexe dynamische Systeme, die durch biochemische und elektrische Reaktionen gesteuert werden. Infolgedessen können sie ihre Berechnungen nur auf lokale Informationen stützen. Zusätzlich kommunizieren Neuronen untereinander mit kurzen elektrischen Impulsen, den so genannten Spikes, die sich über Synapsen bewegen. Computational Neuroscientists versuchen, diese Berechnungen mit spikenden neuronalen Netzen zu modellieren. Wenn sie auf dedizierter neuromorpher Hardware implementiert werden, können spikende neuronale Netze wie das Gehirn schnelle, energieeffiziente Berechnungen durchführen. Bis vor kurzem waren die Vorteile dieser Technologie aufgrund des Mangels an funktionellen Methoden zur Programmierung von spikenden neuronalen Netzen begrenzt. Lernen ist ein Paradigma für die Programmierung von spikenden neuronalen Netzen, bei dem sich Neuronen selbst zu funktionalen Netzen organisieren. Wie im Gehirn basiert das Lernen in neuromorpher Hardware auf synaptischer Plastizität. Synaptische Plastizitätsregeln charakterisieren Gewichtsaktualisierungen im Hinblick auf Informationen, die lokal an der Synapse anliegen. Das Lernen geschieht also kontinuierlich und online, während sensorischer Input in das Netzwerk gestreamt wird. Herkömmliche tiefe neuronale Netze werden üblicherweise durch Gradientenabstieg trainiert. Die durch die biologische Lerndynamik auferlegten Einschränkungen verhindern jedoch die Verwendung der konventionellen Backpropagation zur Berechnung der Gradienten. Beispielsweise behindern kontinuierliche Aktualisierungen den synchronen Wechsel zwischen Vorwärts- und Rückwärtsphasen. Darüber hinaus verhindern Gedächtnisbeschränkungen, dass die Geschichte der neuronalen Aktivität im Neuron gespeichert wird, so dass Verfahren wie Backpropagation-Through-Time nicht möglich sind. Neuartige Lösungen für diese Probleme wurden von Computational Neuroscientists innerhalb des Zeitrahmens dieser Arbeit vorgeschlagen. In dieser Arbeit werden spikende neuronaler Netzwerke entwickelt, um Aufgaben der visuomotorischen Neurorobotik zu lösen. In der Tat entwickelten sich biologische neuronale Netze ursprünglich zur Steuerung des Körpers. Die Robotik stellt also den künstlichen Körper für das künstliche Gehirn zur Verfügung. Auf der einen Seite trägt diese Arbeit zu den gegenwärtigen Bemühungen um das Verständnis des Gehirns bei, indem sie schwierige Closed-Loop-Benchmarks liefert, ähnlich dem, was dem biologischen Gehirn widerfährt. Auf der anderen Seite werden neue Wege zur Lösung traditioneller Robotik Probleme vorgestellt, die auf vom Gehirn inspirierten Paradigmen basieren. Die Forschung wird in zwei Schritten durchgeführt. Zunächst werden vielversprechende synaptische Plastizitätsregeln identifiziert und mit ereignisbasierten Vision-Benchmarks aus der realen Welt verglichen. Zweitens werden neuartige Methoden zur Abbildung visueller Repräsentationen auf motorische Befehle vorgestellt. Neuromorphe visuelle Sensoren stellen einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu hirninspirierten Paradigmen dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kameras senden diese Sensoren Adressereignisse aus, die lokalen Änderungen der Lichtintensität entsprechen. Das ereignisbasierte Paradigma ermöglicht eine energieeffiziente und schnelle Bildverarbeitung, erfordert aber die Ableitung neuer asynchroner Algorithmen. Spikende neuronale Netze stellen eine Untergruppe von asynchronen Algorithmen dar, die vom Gehirn inspiriert und für neuromorphe Hardwaretechnologie geeignet sind. In enger Zusammenarbeit mit Computational Neuroscientists werden erfolgreiche Methoden zum Erlernen räumlich-zeitlicher Abstraktionen aus der Adressereignisdarstellung berichtet. Es wird gezeigt, dass Top-Down-Regeln der synaptischen Plastizität, die zur Optimierung einer objektiven Funktion abgeleitet wurden, die Bottom-Up-Regeln übertreffen, die allein auf Beobachtungen im Gehirn basieren. Mit dieser Einsicht wird eine neue synaptische Plastizitätsregel namens "Deep Continuous Local Learning" eingeführt, die derzeit den neuesten Stand der Technik bei ereignisbasierten Vision-Benchmarks erreicht. Diese Regel wurde während eines Aufenthalts an der Universität von Kalifornien, Irvine, gemeinsam abgeleitet, implementiert und evaluiert. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird der visuomotorische Kreis geschlossen, indem die gelernten visuellen Repräsentationen auf motorische Befehle abgebildet werden. Drei Ansätze werden diskutiert, um ein visuomotorisches Mapping zu erhalten: manuelle Kopplung, Belohnungs-Kopplung und Minimierung des Vorhersagefehlers. Es wird gezeigt, wie diese Ansätze, welche als synaptische Plastizitätsregeln implementiert sind, verwendet werden können, um einfache Strategien und Bewegungen zu lernen. Diese Arbeit ebnet den Weg zur Integration von hirninspirierten Berechnungsparadigmen in das Gebiet der Robotik. Es wird sogar prognostiziert, dass Fortschritte in den neuromorphen Technologien und bei den Plastizitätsregeln die Entwicklung von Hochleistungs-Lernrobotern mit geringem Energieverbrauch ermöglicht

A Survey of Robotics Control Based on Learning-Inspired Spiking Neural Networks

Biological intelligence processes information using impulses or spikes, which makes those living creatures able to perceive and act in the real world exceptionally well and outperform state-of-the-art robots in almost every aspect of life. To make up the deficit, emerging hardware technologies and software knowledge in the fields of neuroscience, electronics, and computer science have made it possible to design biologically realistic robots controlled by spiking neural networks (SNNs), inspired by the mechanism of brains. However, a comprehensive review on controlling robots based on SNNs is still missing. In this paper, we survey the developments of the past decade in the field of spiking neural networks for control tasks, with particular focus on the fast emerging robotics-related applications. We first highlight the primary impetuses of SNN-based robotics tasks in terms of speed, energy efficiency, and computation capabilities. We then classify those SNN-based robotic applications according to different learning rules and explicate those learning rules with their corresponding robotic applications. We also briefly present some existing platforms that offer an interaction between SNNs and robotics simulations for exploration and exploitation. Finally, we conclude our survey with a forecast of future challenges and some associated potential research topics in terms of controlling robots based on SNNs

From skin to brain:modelling a whole-body coordination scenario of nervous system origin

Nervous systems are ubiquitous in the animal kingdom, yet the evolutionary origin of this essential feature, the basis of human cognition, is unclear. Since the emergence of nervous systems happened at least 430 but likely as much as 600 million years ago, there is little hard evidence to illustrate this evolutionary process. To understand the evolutionary origin of nervous systems, theoretical frameworks putting what evidence there is into context are crucial.One such framework, the interal coordination view, posits that nervous systems arose in order to allow early animals to coordinate their multicellular bodies as a whole. In this research, we explored potential intermediate evolutionary steps on the road to a true nervous system. To that end, we used computational models of very simple simulated animals. In these simulations, we investigated mechanisms short of nervous systems, using (simulated) biological building blocks which would likely have been present in animals at the time nervous systems evolved.These models demonstrate that even very rudimentary mechanisms have the potential of providing useful coordination to early animals, thereby supporting the internal coordination view of nervous system origin: nervous systems likely evolved to allow whole-body coordination

Executive Attention, Action Selection and Attention-Based Learning in Neurally Controlled Autonomous Agents

I describe the design and implementation of an integrated neural architecture, modelled on human executive attention, which is used to control both automatic (reactive) and willed action selection in a simulated robot. The model, based upon Norman and Shallice's supervisory attention system, incorporates important features of human attentional control: selection of an intended task over a more salient automatic task; priming of future tasks that are anticipated; and appropriate levels of persistence of focus of attention. Recognising that attention-based learning, mediated by the limbic system, and the hippocampus in particular, plays an important role in adaptive learning, I extend the Norman and Shallice model, introducing an intrinsic, attention-based learning mechanism that enhances the automaticity of willed actions and reduces future need for attentional effort required for dealing with distractions. These enhanced features support a new level of attentional autonomy in the operation of the simulated robot. Some properties of the model are explored using lesion studies, leading to the identification of a correspondence between the behavioural pathologies of the simulated robot and those seen in human patients suffering dysfunction of executive attention